ASCEND计划更新：设计下一代高速汽车和航空航天复合材料

 

大约三年前，GKN Aerospace（英国索利哈尔）集成复合材料结构技术总监兼英国工业委员会复合材料领导论坛（CLF）主席Craig Carr意识到CLF合作伙伴迈凯轮汽车（英国沃金）正在开发的高度自动化技术，以生产高质量的复合材料汽车部件位于谢菲尔德的迈凯轮复合材料技术中心（MCTC）。两家公司很快意识到，跨部门合作可以带来很多好处。

ASCEND的目标是在英国为航空航天和汽车行业建立复合材料供应链

 

MCTC工程主管约瑟夫·Elford（Joseph Elford）解释说，迈凯伦于2018年开设了MCTC，为该公司的高性能汽车开发更高速率的复合材料技术。在这种情况下，“高速率”意味着每年几千个零件。

 

Elford指出：“严格来说，这在汽车领域并不是很高的比例，但在复合材料领域却是很高的比例。我们一直说，就速度和我们使用复合材料制造复杂集成部件的方式而言，我们可能更接近航空航天行业，而不是主流汽车行业。”

 

GKN Aerospace和迈凯轮：“开始问，我们之间如何利用这些技术？”Carr说：“在汽车价格的能力和航空航天质量的要求之间，应该有一个我们都可以学习的介于两者之间的答案。”

 

在这些初步对话的基础上，于2021年初成立了ASCEND(航空航天和汽车供应链支持发展)联盟。这项耗资4000万英镑、为期四年的项目由GKN Aerospace公司位于英国布里斯托尔的全球技术中心(GTC)牵头，由Axillium Research公司组织和管理。该项目由英国政府通过创新英国和航空航天技术研究所(ATI)提供部分资金支持。

 

“该计划的主要内容不仅是开发演示零件，而且是为航空航天和汽车行业开发跨部门和集成的供应链解决方案，从而能够以更高的速度制造产品。”

 

除了GKN Aerospace，McLaren Automotive和Axillium之外，ASCEND还包括其他13个跨越供应链的英国项目合作伙伴：Assyst Bullmer, Cygnet Texkimp, Far-UK Ltd., Hexcel Composites, Hive Composites, LMAT Ltd., Loop Technology, National Composites Centre（NCC）, Rafinex, Sigmatex, Solvay Composite Materials, Airborne和Des Composites。

 

ASCEND的领导人称其为跨部门的技术和供应链发展计划，旨在加入航空航天和汽车行业。Carr解释说，对于商用单通道飞机，ASCEND的目标是以每月100套的速度生产复合材料密集型飞机;对于城市空中交通（UAM）市场，这一比率可能会高得多。

 

Axillium董事长Will Searle补充说：“该计划的主要内容不仅是开发演示零件，而且是为航空航天和汽车行业开发跨部门和集成的供应链解决方案，从而能够以更高的速度制造产品。我们的挑战是将生产力提高一倍，无论在哪个行业，我们都可以生产这些新组件，这才是核心。”

 

 

奥升德的高级目标分为五个主题：

（1）轻量级设计工具

（2）未来材料系统

（3）支持速率的自动化

（4）电动化和多功能化

（5）集成混合结构

 

这五个主题在17个工作包中得到展示，正如Searle所描述的那样，这些工作包进一步分解为42个单独的项目或“接触点”。从2021年开始到2024年结束，目标是将尽可能多的工作提高到技术准备级别（TRL）6，并在汽车和航空航天市场的原型级别展示关键速率目标。

除了技术本身，Searle强调，建立供应链能力的另一个重要部分是在劳动力中创造新的角色和技能。在ASCEND计划的过程中，英国将创造约2000个技术工作岗位。

 

以下是迄今为止每个计划主题的一些进展的摘要。

 

 

主题1：轻量级设计工具。在设计层面，仿真和优化算法开发商Rafinex（英国伦敦）和工程公司Far-UK Ltd.（West Bridgford）等合作伙伴正在开发软件工具，以优化复杂的复合材料设计，包括管理现实生活中的服务可变性和由此产生的可靠性风险。目前正在对数字和物理演示器进行验证研究。

 

重要的是，数字线程技术正在编织到所有工作包中，从零件建模开始，通过树脂传递模塑（RTM）或长丝缠绕工艺步骤，自动化解决方案专家Airborne正在通过数据监控和收集架构实现自动化和数字化。

数字线程和优化的仿真技术是整个项目的首批工作

 

主题2：未来的材料系统。通过该项目开发的所有工艺技术，在高压釜内外，旨在更快的周期和固化时间，需要更快的固化树脂系统。Carr解释说：“ASCEND主要关注热固性树脂系统，尽管热塑性塑料正在考虑用于氢气罐工作包。合作伙伴Hexcel Composites（英国剑桥）、索尔维复合材料（英国雷克瑟姆和希诺）和Sigmatex（英国柴郡）一直致力于开发快速固化的双组分树脂系统，以使用干胶带、预浸料和非卷曲织物（NCF）缩短周期时间。”

 

此外，吉凯恩航空航天公司首席研究工程师Kevin Barlow解释说：““可持续性”是一个超越每个主题的目标，特别是在材料系统工作中。国家复合材料中心（NCC）正在与材料供应商合作伙伴合作，研究和记录材料开发过程中以及后续工艺步骤中产生的排放。”

 

Barlow解释说：“未来需要这个框架来实现净零排放目标，我们正在以过去所做的工作为基础，通过改用OOA工艺（如RTM和自动化NCF放置以及明日之翼WOT计划的成型）来实现80%的节能。在这里，我们正在努力使用更少的能源并产生更少的废物。”

 

Searle补充说：“NCC正在开发可持续复合材料的回收价值流。随着我们提高速度和生产更多零件，这意味着我们也增加了浪费。在ASCEND内部，这是NCC在整个计划中支持可持续流程的核心目标。”

在ASCEND项目流程的每一步都考虑减少废物和排放

主题 3：支持速率的自动化。工作中使用的主要工艺是预浸料热成型、RTM和用于创建2D毛坯的新型干纤维沉积工艺。为了加快循环时间，自动化和机器人技术正在尽可能多的工艺阶段实施，以及先进的层切割和套料，以优化预成型工艺，同时减少原材料浪费。

 

此外，还开发了新颖和优化的刀具系统，以实现更快的循环时间。迄今为止的发展包括3D打印工具，自加热复合材料工具，可重复使用的智能工具的演示，以及超声波传感器和其他用于过程监控的无损评估（NDE）系统的集成。

 

LMAT Ltd.（英国布里斯托尔）是致力于提高热效率的自加热复合材料工具的重要合作伙伴，以及自动/免工具零件弹出以增强操作和耐用性。此外，Hive Composites（英国莱斯特郡）正在研究一种新颖的自加热工具技术，与传统的热固性塑料固化方法相比，该技术可显着节省能源。

 

主题4：电气化和多功能主义。这些工作包将介绍集成的多功能机身结构，包括合作伙伴Hive Composites开发的基于纳米材料的除冰系统，复合板中的集成电线以及用于未来零排放，净零飞机的V型低温氢气罐的材料概念。

 

在储罐工作包中，目标包括探索适合低温的复合材料的全球供应链，同时在英国开发测试能力以验证试样级别的低温性能，并了解长丝缠绕或编织罐的制造能力。

 

主题5：综合混合结构。主题5工作包由Hive Composites和Far-UK领导，重点是通过粘接和其他连接方法消除紧固件。目前的目标是使用机器人胶粘剂点胶自动化粘合过程，使用嵌入式加热改进二次粘合工艺并评估表面处理方法。纳米基导电胶与接头检测技术一起开发，例如可用于监测胶粘剂粘合线结构完整性的传感器。

 

 

航空航天演示器将展示几种工艺：灯丝缠绕的储氢罐；一个RTM的翼盒;热成型预浸料后缘、翼肋和翼梁；用胶带铺成的弯曲翼尖皮肤;以及由RTM的NCF制成的叶片翼尖。

 

根据Carr的说法，叶片翼尖演示器标志着GKN Aerospace和迈凯轮汽车公司合作开发的第一个部件。吉凯恩宇航公司根据类似客户的单通道飞机机翼设计，并使用了主题1工作包中的下一代随机拓扑优化软件，设计了翼尖，包括蒙皮、翼梁和肋骨。该数字模型已提供给迈凯伦团队，该团队正在努力使用汽车原理优化设计和流程以实现更高的速率。Carr说，主要目标之一是使用一种可以将节拍时间从一小时减少到30分钟的工艺来生产零件。

 

这到底意味着什么？机翼蒙皮和翼梁的预制件将通过RTM使用NCF和专门的预成型工艺制造，最初由迈凯伦汽车公司为其在MCTC生产汽车零部件开发的材料和工艺。

 

具体来说，其新推出的Artura插电式混合动力电动汽车上的全复合材料底盘是ASCEND计划合作的灵感之一，也是MCTC自成立以来交付的第一款产品。

 

Elford说：“这款名为迈凯轮碳轻量化架构(MCLA)的底盘是完全集成的——整个结构、底盘、电池腔、碰撞结构、安装硬件——所有的一切都集成到一个单一的RTM模压组件中，RTM工艺是我们在过去15年里一直在开发的，在过去的5年里，我们一直在内部进行这项工作，并对我们自己的RTM系统进行了大量改进，其中一些改进在航空航天领域非常重要。”

飞机翼尖的集成工作流程

 

系统如何缩短周期时间并提高产量？Elford解释说：“高速RTM确实是我们的关键技术，我们已经在整个材料供应链中开发了这项技术——工艺、树脂化学，再到新的刀片几何形状，以便层切割机能够每小时切割数千件碳纤维。”

 

该工艺的一项重大改进是开发复杂的专有工具，无需在零件之间进行清洁或维护。形成零件，由机器人将零件抬起，然后可以立即重新加载工具。Elford指出：“这在许多注塑实践中是传统的，但在复合材料行业中几乎无法实现，用于过程监控的集成传感器还可以实现过程操作的高度可见性。”

 

为了进一步缩短周期时间，迈凯伦还开发了一种专有的预成型工艺，使用专门设计的成型机，每台成型机在两分半钟到三分钟内交付瓶坯，并带有转盘系统，可以更换工具以交付不同的形状。然后将这些半固结的预制件装载到RTM机器中，在自热工具上进行灌注和成型。所有这些技术都是为迈凯轮的高性能公路车开发的——“但我们可以看到，与航空航天业有很多明显的相似之处。”Elford指出。

 

ASCEND翼尖被选为在航空航天部件中展示该技术的第一部分。Elford指出：“翼尖也体现了我们的一些汽车设计理念，我们看待翼尖的方式是，如果它是汽车上的产品，我们将如何设计它？我们将如何设计它？我们将如何制造它，知道我们可以在节拍时间方面进入每个零件的分钟数？”

 

对于翼尖项目，开发了自加热形状记忆聚合物工具，以进一步降低成本并缩短加工时间。最后一部分将于明年年底完成;截至2023年初，第一批物理部件（如热成型肋条）正在制造中。

 

 

ASCEND的两个主要汽车演示是后地板和门。“后舱地板在某些方面与许多航空航天应用类似;它有一个应力表面，后车架的一部分为汽车后部提供了刚度，以支持转弯负载和制动力时的稳定性，这是一个非常关键的空气动力学表面。虽然翼尖是迈凯伦展示现有航空航天汽车技术的机会，但后地板是开发下一代汽车技术的机会。”Elford解释道。

 

Elford说：“下一个巨大的挑战是消除制造过程中的浪费，为了做到这一点，我们已经开始开发自己的磁带沉积技术。这种专有的工艺是自动纤维放置(AFP)的替代方案——“AFP是你用来获得几乎零浪费的近乎净形状空白的磁带格式，但它对我们所需的速率来说太慢了。”因此，MCTC正在开发一种用于2D毛坯叠层的高速率胶带沉积工艺，然后可以进行预成型和RTM。”

 

迈凯轮汽车公司目前已经为ASCEND项目制造了其演示后地板原型，并于2022年底在Artura GT4车型上进行了地板测试。

 

优点包括高生产率、由于减少废料而节省的材料成本、略微提高刚度以及比铝制零件显着减轻重量。胶带材料和工艺由迈凯伦为ASCEND开发，合作伙伴Sigmatex发挥了关键作用。

 

在验证出地板演示器之后，ASCEND的下一步将是设计和制造车门演示器。Elford解释说：“就复杂性而言，这是下一步，包括安全和质量要求，载荷工况以及它是涂漆的RTM表面的事实。”改用磁带时会出现新的挑战，而GKN Aerospace的合作伙伴关系和知识对开发过程至关重要。他指出：“用胶带进行预处理有一些细微差别——间隙、重叠、扩散，胶带的稳定性与缝合织物NCF有着根本的不同。用胶带进行成型有很多发展，但这一切都发生在我们现有的技术上。我们有能力改变温度、压力、速度等，基本上可以磨练出适用于磁带的最佳参数。

 

航空航天工业是“胶带制造工艺验证方面的专家”。自从我们使用RTM以来，他们就一直在使用磁带，因此这非常有价值—他们对磁带在生产基础架构中的性能以及如何通过流程验证这一点有深刻的见解和知识；对我们来说，这是一个很好的机会，可以了解我们的方法在各个行业之间的比较，并共同分享我们的学习。航空航天也处于在线过程检测的最前沿，所以这是另一个机会。

 

 

截至2023年初，前两个主题（工具、材料和零件级设计）的大部分工作已经完成，第一批物理零件正在生产中。迈凯轮的后地板演示器是第一个制造的，以及用于翼尖项目的几个肋骨和翼梁。

 

在吉凯恩的GTC，由ASCEND合作伙伴Airborne设计的自动预成型单元将于2023年8月安装，并将生产最终的翼尖和翼箱演示器。这些团队还致力于增加已经开发的SMP工具和热成型肋条演示器的TRL。

 

Carr指出：“我们同时做了很多事情，因为我们重点关注产品以及其中的所有要求。因此，我们正在进行设计，材料，自动化，检查所有这些都是绝对需要的，以我们需要的速度。”

 

Barlow补充说：“其他合作伙伴也有很多合作，为我们的工作包提供信息，我们也为他们的工作包提供支持。它确实变得相当复杂。”

 

这一切将归结为什么?高trl验证部件。是的，还有材料和工艺技术，可以转移到其他下一代航空航天和汽车部件。塞尔说：“ASCEND成功的关键在于，我们不仅仅专注于在工厂生产零部件。“我们也正在建立以最快的速度运营工厂的能力，拥有最好的材料和高技能的劳动力，以加速英国复合材料社区的发展。”